通信用磷酸鐵鋰電池的節能減排應用

李志華

（深圳市比亞迪鋰電池有限公司）

1 磷酸鐵鋰鐵電池簡介

1990年，索尼公司率先在實驗室推出了以Li－Co O2為正極材料的鋰離子電池，并于1991年開始產業化。與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池在工作電壓、能量密度、循環壽命等方面都具有顯著優勢，在過去的二十年間鋰離子電池被廣泛應用于便攜電子設備、電動工具等領域。近幾年，隨著全球對節能減排的關注，鋰離子電池也逐漸被應用于通信、國家電網以及電動汽車等多種行業。對于通信電源行業節能減排來說，要求蓄電池體積更小、重量更輕、壽命更長、更耐高溫、維護更容易、性能更穩定、更環保等，通信用磷酸鐵鋰電池應運而生。

通信用磷酸鐵鋰電池與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有以下優點：

（1）能量密度高：標稱電壓為3.2 V，能量密度是鉛酸電池的4倍左右，體積小、重量輕；

（2）安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩，充放電過程中結構穩定，電池不燃燒、不爆炸、安全性好；

（3）高溫性能好：外部溫度55℃時電池正常工作；

（4）高功率輸出：標準放電為0.2C、可3C以上充放；

（5）長循環壽命：常溫1C充放電，單體經5000次循環后容量仍大于80%；

（6）環保：整個生產過程清潔無毒，所有原料都無毒。

2 現階段通信用磷酸鐵鋰電池產品形式

鉛酸蓄電池組電壓等級為24 V、36 V、48 V、96 V、240 V、384 V等，常用的蓄電池組容量從50－3 000 Ah不等。

現階段磷酸鐵鋰電池產品形式主要有12 V、48 V模塊兩種類型，容量等級為10 Ah、20 Ah、50 Ah、150 Ah、200 Ah等，電池模塊通過串并聯，可以形成多種電壓等級、多種容量的電池組，滿足開關電源和UPS備電的各種需求。

目前磷酸鐵鋰電池產品的主要以下三種規格，以比亞迪公司部分產品為例：

（1）12 V 模塊化電池

規 格 尺寸（mm）深×寬×高 重量／kg 420×105×116 7 100 Ah／12 V 50 Ah／12 V 510×104×234 14 150 Ah／12 V 510×254×158 29 543×111×210 20 200 Ah／12 V

（2）48 V模塊化電池19英寸寬（又稱“集成式磷酸鐵鋰電池組”）

規 格 尺寸（mm） 重量（kg）420×89×460 36 50 Ah／48 V

（3）240 V／336 V／384 V模塊化電池組

12 V或48 V電池模塊進行串聯組合可以形成240 V、336 V、384 V電池組，滿足 UPS交流電源系統、240 V／336 V高壓直流電源系統（HVDC）的備電需求（見圖1～圖3）。

圖1 12 V磷酸鐵鋰電池

圖2 48 V磷酸鐵鋰電池

圖3 384 V UPS用磷酸鐵鋰電池

3 通信用磷酸鐵鋰電池節能減排方向

通信用磷酸鐵鋰電池應用相比傳統的鉛酸蓄電池更能體現 “節能”、“節材”、“節地”等節能減排工作的需求，如何讓其合理的應用于移動通信電源行業呢？

思路是：理清行業需求；分析產品優勢；制定差異化的節能減排的應用方案；進行具體的數據對比分析。

3.1 通信電源行業對蓄電池的三類典型需求

（1）通信用直流開關電源系統

鑒于通信的高可靠性要求，完善的通信電源解決方案要求開關電源系統配置蓄電池。通信主設備、附屬設備種類眾多，開關電源應用場景也很多，總結主要有以下幾種：戶外型基站、村通等無空調的基站、空間緊張的室內宏基站、直流供電的室內覆蓋／分布式信源站、無市電或三四類市電地區的太陽能光伏基站、直流供電方案的WLAN站點等。

（2）通信用UPS交流電源系統

UPS交流電源系統主要應用于供配電系統的交流主回路部分，通信行業應用UPS交流電源系統的場景主要如下：交流供電的室內覆蓋／分布站、交流供電的微蜂窩站、嵌入式UPS供電的數據機房、交流供電方案的WLAN站點等。

（3）通 信 用240 V／336 V 高 壓 直 流電源系統（HVDC）

通信用高壓電源直流系統（HVDC）是目前通信機房應用的新型供電系統，其配套電池組電壓等級有240 V和336 V兩種，蓄電池容量通常為50 Ah～200 Ah。

3.2 磷酸鐵鋰電池應用于通信行業的三大優勢

對于通信行業，主要關注磷酸鐵鋰電池的三大優勢：

（1）體積小、重量輕——對于民用住宅內的站點，可節省承重加固的費用，進一步加速站點的建設，“節材”優勢更加明顯。

（2）高溫性能優異——優異的高溫性能可成倍增加戶外站電池的壽命，降低維護及更換電池費用，提供系統可靠性；此外在有空調的基站中，可以嘗試將空調設置為35度時啟動，能有效降低基站平均電耗，“節能”優勢更加明顯。

（3）高功率放電——鐵電池在3C以上放電依然能放出全部容量的90%以上，高功率、深度放電的優勢能有效降低目前UPS備用電池的總容量、容量降低時對機房空間及承重要求過大等問題也伴隨得到解決，“節地”優勢更加明顯。

3.3 通信用磷酸鐵鋰電池節能減排應用方向

比亞迪將通信行業三大典型需求與鐵電池的三大產品優勢有機的結合起來，行成了獨特的通信用鐵電池電源系統解決方案，提出了通信電源行業節能減排的幾種應用方案。

（1）室外一體化鐵電池電源解決方案

室外通信基站太陽直射，內置的鉛酸蓄電池壽命通常不超過2年，本方案采用磷酸鐵鋰電池，耐高溫性能優異，壽命達到5～10年。

此方案中電池的體積小，重量輕，耐高溫、長使用壽命等優勢在“節能”“節材”“節地”三個方面實現節能減排的目的，同時有效降低維護運營成本。

（2）空間緊張的室內宏基站電源解決方案

采用一體化開關電源配合鐵電池，則可降低室內宏基站中電源及鉛酸電池的占地面積，滿足設備擴容的需求。同時鐵電池耐高溫性能優異，可以將站內空調啟動溫度提高到35度左右，能夠降低空調的能耗，通過節省電費有效降低運營成本，在“節能”“節地”“節材”三方面達到節能減排的目的。

（3）室內覆蓋／分布式站電源解決方案

原有2G網絡的室內覆蓋，加之3G及WLAN熱點的不斷新建，室內覆蓋站的數量將進一步增多。由于室內覆蓋站點取電一般就近選擇市電，選擇48 V通信電池模塊或鐵電池UPS進行備電則可有效解決該類問題。

（4）通信用高壓直流電源系統（HVDC）供電方案

針對數據中心的供電方案，行業專家提出了通信用240 V／336 V高壓直流電源系統。該系統對蓄電池的要求的特點是高電壓（240 V／336 V）、短時間、大電流放電。如采用機架式磷酸鐵鋰電池組則可以與HVDC系統以列頭柜形式并列安放，不用單獨建立電池房，也可節省供電系統的占地面積，提高通信設備機架裝機率。

4 通信用磷酸鐵鋰電池應用的節能減排案例及效益分析

自2009年起，比亞迪公司與國內運營商開始試點合作，以下是與廣東移動和重慶移動試點的案例分析。

4.1 廣東移動試點案例

與深圳移動自2010年4月開始試點，試點主要類型是宏基站和UPS直放站，其中比亞學校站的電池放置于站外朝南側，處于太陽直射狀態，模擬極高溫度下測試容量衰減（見圖4）；九州賓館站采用72 V150 Ah鐵電池與3 k VA在線式UPS配合（見圖5），相關試點分別于2010年5月9月 及2011年1月3月進行四次全容量測試（見圖6）。

圖4 比亞學校—電池放置戶外

圖5 九州賓館站—微蜂窩站（UPS）

圖6 深圳移動試點案例－容量保持率VS時間測試情況

4.2 重慶移動試點案例

重慶移動試點案例如圖7、圖8所示。

圖7 重慶移動試點案例

圖8 重慶移動試點－容量保持率VS時間測試情況

4.3 通信用鐵電池電源系統試點總結

（1）室內宏基站鐵電池的試點效果與鉛酸電池相比略有優勢；室外宏基站鐵電池的容量衰減比鉛酸電池少15%，優勢明顯。

（2）鐵電池與開關電源配合試點效果好于與UPS配合的微蜂窩站，分析原因是開關電源的電池管理相關參數可以調整，而UPS的電池管理默認按鉛酸電池設定，沒有人機界面調整。

綜述，對于室外站和無空調的村通站則可以大力推廣磷酸鐵鋰電池；對于室內基站可探索取消空調或者升溫至30～35度，以節能減排。

5 通信用磷酸鐵鋰電池推廣難點及展望

磷酸鐵鋰電池在移動通信行業屬于新生事物，在進行試點驗證新產品優勢的同時必定會暴露問題，解決問題才能促進其在通信行業的廣泛應用：

（1）基站中應用鐵鋰電池已經成熟，建議運營商大力推廣；

（2）240 V（或336 V）高壓直流系統中應用鐵鋰電池正在進行探索，如果成功將大大減少機房中電池組的占地面積，成功提高裝機率，促進IDC產業發展；

（3）小場景如室內覆蓋，WLAN等需進一步加強對鐵鋰電池UPS或鐵鋰電池插框電源的應用，全面優化現網質量；

（4）隨著移動通信行電源的發展，磷酸鐵鋰電池需要預留單體電池運行數據采樣的統一接口，以便于后續全面智能的電池管理方式的推廣；BMS的發展方面將不是管理電池，而是全面監控電池的工作狀態并與遠端監控系統通信。

中國鋰電領軍企業——比亞迪將依托強大電池研發團隊，運用高水平設計，全自動化產線，專業的方案支持，全面配合中國運營商推廣并應用磷酸鐵鋰電池。